Spektroskopi Raman Grafena Multi-Lapisan Secara epitaksi Ditumbuhkan pada 4H-SiC dengan Dekomposisi Panas Joule

Hasil dan Diskusi

Empat sampel MLG disiapkan dengan menerapkan DC berbeda 2,79, 3,05, 3,24, dan 3,43 A pada substrat SiC, dan DC dijaga stabil selama 5 menit selama sintesis graphene. Dengan meningkatnya DC, suhu di tengah substrat berturut-turut adalah ~ 1230, 1350, 1470, dan 1600 °C. Setelah pertumbuhan MLG selesai, sampel diperiksa dengan spektroskopi Raman. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b, beberapa puncak yang sesuai dengan graphene diamati, yang diidentifikasi oleh tiga pita utama:(i) pita D yang diinduksi cacat pada frekuensi ~ 1370 cm ⁻¹ , (ii) pita G getaran dalam bidang pada frekuensi ~ 1600 cm ⁻¹ , dan (iii) pita 2D dua fonon pada frekuensi ~ 2750 cm ⁻¹ [15]. Dibandingkan dengan micromechanical cleavage graphene (MCG) satu lapis, pengamatan penting adalah bahwa G (~ 1600 cm ⁻¹ ) dan 2D (~ 2750 cm ⁻¹ ) pita MLG bergeser secara signifikan ke frekuensi yang lebih tinggi dari pita G (1580 cm ⁻¹ ) dan 2D (2673 cm ⁻¹ ) dari MCG [16]. Mungkin ada beberapa alasan yang menyebabkan pergeseran pita G yang signifikan (~ 20 cm ⁻¹ ) dan pita 2D (~ 77 cm ⁻¹ ). Ni mengilustrasikan bagaimana efek regangan dari graphene epitaxial pada 6H-SiC mengubah konstanta kisi graphene, dan selanjutnya mempengaruhi frekuensi Raman [16]. Lainnya telah melaporkan bahwa doping dapat menyebabkan pergeseran biru puncak G dan 2D [17,18,19], tetapi efeknya sangat lemah dibandingkan dengan yang disebutkan di atas. Di sini, pergeseran biru pita G dan 2D dapat dikaitkan dengan efek regangan yang disebabkan oleh ketidakcocokan kisi substrat graphene dan SiC [16]. Dari Gambar 1b, kami mengamati munculnya pita G dan pita D graphene yang sesuai dari spektrum merah, yang diambil dari sampel MLG yang disiapkan pada ~ 1230 °C. Nilai tinggi dari I _D (intensitas pita D) dibagi dengan I _G (intensitas pita G) (I _D /Aku _G ) dan tidak ada bukti yang jelas untuk pita 2D yang menunjukkan banyak cacat dan kristalinitas graphene yang buruk. Alasannya mungkin karena atom C tidak dapat memperoleh energi kinetik yang cukup untuk memproses rekonstruksi graphene dengan baik pada suhu pertumbuhan yang rendah [20]. Dengan meningkatkan suhu pemanasan hingga ~ 1350 °C, nilai I _D /Aku _G menurun dari ~ 1,01 menjadi ~ 0,38, yang menunjukkan bahwa MLG memiliki rasio cacat yang lebih rendah. Pita 2D simetris dengan lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) ~ 72 cm ⁻¹ lebih lanjut menunjukkan kristalisasi MLG dan kualitasnya yang lebih baik. Dan intensitas Raman yang rendah dari SiC telah membuktikan bahwa sampel yang kami siapkan adalah graphene multi-layer [21]. Dengan suhu pertumbuhan yang semakin meningkat hingga 1470 °C, I _D /Aku _G terus menurun hingga ~ 0,06, menunjukkan jumlah cacat semakin berkurang. Selain itu, pita 2D memiliki sedikit pergeseran merah. Kami berasumsi mungkin ada pengurangan regangan pada antarmuka antara MLG dan SiC karena lebih banyak lapisan graphene terbentuk pada suhu pemanasan Joule yang lebih tinggi [16]. Kami juga menyelidiki MLG yang disiapkan pada ~ 1600 °C dengan spektroskopi Raman. Namun, I . yang lebih tinggi _D /Aku _G (~ 0.43) diamati, menunjukkan peningkatan cacat. Hipotesis kami adalah bahwa itu mungkin berasal dari tingkat grafitisasi yang tinggi di luar proses sublimasi vakum keseimbangan, dan dengan demikian, hal itu menyebabkan lebih banyak dislokasi permukaan atau kerutan pada permukaan MLG [14]. Selain itu, pergeseran merah lebih lanjut dari pita D, G, dan 2D diamati, yang berarti lebih banyak pengurangan regangan, dan dengan demikian, lebih banyak lapisan graphene yang disintesis [16].

Kami kemudian fokus pada pengaruh waktu proses JHD pada pertumbuhan MLG. Sebagai Aku _D /Aku _G MLG yang ditumbuhkan pada 1470 °C adalah yang terendah, tiga sampel disiapkan pada DC 3,24 A (~ 1470 °C) masing-masing selama 2, 5, dan 10 menit, dan spektrum Raman ditunjukkan pada Gambar 1c. Aku _D /Aku _G MLG yang ditumbuhkan selama 5 menit adalah sekitar 0,06, yang lebih rendah dari yang lain yang ditumbuhkan selama 2 menit (~ 0,41) dan 10 menit (~ 0,29), menunjukkan bahwa MLG yang ditumbuhkan selama 5 menit memiliki cacat paling sedikit. Alasannya mungkin karena 2 menit terlalu singkat bagi atom C untuk merekonstruksi lapisan graphene yang homogen, dan cacat graphene seperti diskontinuitas, ketidakhomogenan, dan gangguan susun terkadang muncul. Namun, 10 menit mungkin terlalu lama untuk pertumbuhan MLG, karena akan dipengaruhi oleh gas sisa di ruang dan dengan demikian menghasilkan cacat [22]. Seiring bertambahnya waktu, tidak ada pergeseran merah posisi puncak G atau 2D yang diamati dari Gambar 1c, yang menunjukkan regangan antara lapisan graphene dan substrat harus hampir sama untuk sampel ini. Ketegangan yang tidak berubah mungkin karena jumlah lapisan graphene hampir tidak bertambah, karena I _G /Aku _2D hampir sama (2,7 selama 2 mnt, 3,0 selama 5 mnt, dan 2,8 selama 10 mnt) dan I _SiC /Aku _G hampir tidak berubah, di mana aku _SiC adalah intensitas pita Raman (pada ~ 1520 cm ⁻¹ ) untuk 4H-SiC [21].

Karena perbedaan konduktivitas termal, daya pemanasan Joule pada permukaan kontak elektroda SiC dan Mo akan lebih cepat lepas. Dalam hal ini, bagian tengah substrat akan memperoleh suhu tertinggi selama proses JHD, sedangkan jika titik lebih dekat ke elektroda Mo, suhu pemanasan akan lebih rendah. Oleh karena itu, spektroskopi Raman digunakan untuk mengkarakterisasi MLG dari tempat yang berbeda (seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 1a) pada sampel yang disiapkan pada DC 3,24 A, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 1d. Jaraknya sekitar 3 mm antara posisi C dan B, dan sekitar 6 mm antara posisi B dan A. Spektrum Raman A dan B menunjukkan nilai I yang agak rendah _D /Aku _G , bersama dengan pita 2D simetris, yang menunjukkan sedikit cacat. Hampir tidak ada perubahan I _G /Aku _2D dan Aku _SiC /Aku _G juga membuktikan jumlah lapisan MLG yang serupa di antara kedua posisi ini. Selain itu, tidak ada pergeseran Raman yang jelas dari pita G dan 2D juga menunjukkan homogenitas MLG. Oleh karena itu, kita dapat mensintesis luas ~ 12 × 5 mm ² MLG dengan keseragaman lapisan graphene yang baik dengan metode JHD.

Untuk mempelajari lebih lanjut keseragaman MLG, Gbr. 2a mengilustrasikan citra optik sampel yang dikarakterisasi dari area A di inset Gbr. 1a. Ditunjukkan pada Gambar. 2a bahwa sebagian besar kontras warna permukaan cukup merata kecuali untuk beberapa titik gelap. Kami menemukan titik-titik gelap ini memiliki intensitas pita 2D tertinggi, seperti yang ditunjukkan pada pemetaan Raman pada Gambar 2b. Gambar 2c menunjukkan spektrum Raman dari area yang sesuai yang ditandai dalam lingkaran pada Gambar. 2b dengan warna berbeda. Ini juga menunjukkan bahwa intensitas pita G dan 2D dari titik-titik gelap (lingkaran hitam) jauh lebih tinggi daripada area lainnya. Selain itu, posisi puncak pita G dan 2D sedikit bergeser merah. Hipotesisnya adalah bahwa pembentukan graphene akan lebih memilih situs dislokasi sekrup atau cacat lainnya (titik-titik gelap dalam pekerjaan kami) pada permukaan SiC [23], dan kecepatan dekomposisi SiC, serta pertumbuhan graphene, akan lebih cepat dari daerah lain. Gambar 2d menunjukkan lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) pita 2D, yang agak seragam kecuali untuk daerah yang terdapat cacat SiC.

a Citra optik sampel MLG yang disiapkan pada 3,24 A selama 5 mnt dan dikarakterisasi dari pusat. b Pemetaan Raman untuk intensitas pita 2D dari area yang ditandai dalam kotak putus-putus di a . c Spektrum Raman dari lingkaran yang ditandai di b . d Pemetaan Raman untuk FWHM band 2D

Untuk menyelidiki jumlah lapisan graphene yang kami siapkan pada ~ 1470 °C selama 5 menit, kami menggunakan AFM untuk mengkarakterisasi sampel MLG setelah etsa ICP, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Diukir dengan O₂ , ada teras antara MLG dan bagian yang tergores. Sisipan pada Gbr. 3a juga menunjukkan perbedaan kontras, sedangkan bagian terang tidak tergores dan bagian gelap tergores. Dan profil ketinggian teras pada posisi yang berbeda pada gambar AFM diilustrasikan pada Gambar. 3b. Untuk lebih mengkonfirmasi keberadaan graphene setelah etsa, spektrum Raman diambil di tempat dengan dan tanpa ICP-etsa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c. Pita D, G, atau 2D yang tidak jelas membuktikan bahwa graphene telah tergores sepenuhnya. Kami kemudian mengukur perbedaan ketinggian rata-rata antara MLG dan bagian yang tergores berdasarkan profil ketinggian, dan nilainya ~ 15,46 nm, yang berarti jumlah lapisan graphene adalah ~ 45 (jarak antarlapisan ~ 0,34 nm) [24]. Selain itu, nilai root-mean-square (RMS) meningkat dari 0,84 menjadi 2,79 nm setelah ICP-etsa, yang mungkin disebabkan oleh perbedaan kecepatan dekomposisi SiC yang disebabkan oleh cacat dan dengan demikian menghasilkan permukaan SiC yang kasar setelah pertumbuhan grafena.

a Gambar AFM dari MLG dengan setengah tergores oleh ICP-etsa yang diambil di kotak merah inset. Inset adalah gambar sampel MLG, dan bagian terang ditutupi oleh MLG. MLG disintesis pada 1470 °C selama 5 menit. b profil ketinggian teras pada posisi berbeda pada citra AFM. Ketinggian rata-rata teras adalah ~ 15,46 nm. c Spektrum Raman dari sampel dalam a , spektrum merah dan hitam sesuai dengan sampel sebelum dan sesudah etsa

Kami kemudian menyelidiki sifat listrik MLG (disintesis pada ~ 1470 °C selama 5 menit). Pada suhu kamar, kami mengukur sifat IV dari elektroda Au yang berdekatan dari LTLM, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a. Menurut persamaan [25],

a Sifat IV dari kontak Au-graphene-Au. Inset adalah diagram skema LTLM. b Kesesuaian linier dari total resistansi kontak kontak Au ohmik sebagai fungsi jarak bantalan kontak dari 5 hingga 20 μm

Sementara R _B adalah hambatan total, ρ _s adalah resistansi lembaran, R _C adalah resistansi kontak, ρ _c adalah resistansi kontak spesifik, Z adalah lebar MLG (40 μm), d adalah ruang antara elektroda Au (masing-masing 5, 10, 15, dan 20 μm), dan L _B adalah panjang saluran transmisi untuk listrik. Dengan kecocokan linier dari data eksperimen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, kita dapat memperoleh R _C dan L _T . Menurut Persamaan. (1) dan (2), ρ _s dan ρ _c dihitung menjadi 52,36 Ω/sq dan 5,03 × 10 ⁻⁵  cm ² , masing-masing.